汽车废气污染和控制技术
本世纪发生的8次重大的世界公害有5次是由于工业废气而引发的大气污染(其中3次为工业废水引发的水源污染)，造成大量的人畜死亡，森林、植物被毁，影响极其深远。其中40年代初的美国洛杉矶光化学烟雾事件就是由于当时的250万辆汽车每天向大气排放出大量的一氧化碳、碳化氢和氮氧化物等有害气体，在强烈的阳光下发生光化学反应，产生大量的光化学烟雾而造成人畜死亡，成为重大的汽车废气污染公害事件。
随着汽车工业的发展，世界汽车年产量已达5 000余万辆，废气污染在严重地威胁着人类的生态环境。美、欧、日等发达国家已先后制订了严格的汽车排放法规，汽车生产商也先后投入巨额资金对汽车废气污染进行控制和改进，目前已取得了相当的成就，值得我们借鉴。
我国的汽车工业还十分落后，废气污染十分严重。例如，广州市目前的机动车(包括摩托车)数量约为90余万辆，仅为洛杉矶和东京的1/10，但其污染物的排出量却与这两个城市的总量相当，每天排放到大气的有害物质所产生的大气污染十分严重，已出现了类似洛杉矶40年代初期所发生的光化学烟雾征兆，同时已成为全国上呼吸道和肺癌的高发病率区，严重地威胁着市民的身体健康和生态环境。
1 汽车排放污染物的成份和危害性
汽车排放污染物中含有大量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物(NOx)、二氧化硫、铝、碳微粒和其他杂质粉尘等，这些物质对人类和整个生态环境危害极大。
一氧化碳(CO)与人体血液中的血红素有很强的亲和力，使血液丧失对氧的输送能力而产生缺氧中毒。当环境中CO的浓度超过100 ppm(100×10-6)时，人体就会产生头晕、乏力等不适感;随着CO浓度的增加，会进一步产生头痛、呕吐、昏迷等症状;当CO浓度超过600 ppm时，短期内会引起窒息死亡。
汽车废气中排出多种氮氧化物(NOx)，其中一氧化氮(NO)与人体血液中血红素的亲和力比CO还强，两者结合后会产生与CO相似的症状，一般情况下对人体的眼睛、鼻子、咽喉、支气管和肺部等会带来更大的损害，严重时至人于死地。
碳氢化合物(HC)为燃油未经完全燃烧后排出的气体，具有一定的毒性和易燃易爆的特性，其中的苯类物质又具有致癌作用。
HC与NOx在阳光下极易发生光化学反应，形成以臭氧(O3)和以醛类为主的光化学烟雾。当O3达到一定浓度时，会令生物在短期内发生高温氧化而脱水死亡;醛类有机物带有毒性，对眼睛和呼吸系统有强烈的刺激作用，严生的会导致中毒死亡。
二氧化硫(SO2)为燃油中的硫燃烧后的生成物，人体吸入SO2后，即产生咳嗽、咽喉肿痛、呼吸困难、胸闷、四肢乏力，进一步会引起支气管炎、肺炎和心脏病等，严重的会导至人畜死亡。SO2还极易与大气中的水蒸气结合生成亚硫酸烟雾，达到一定积聚量后便形成酸雨，使水土酸化，破坏林木、植物的生长。故此，应尽量减少燃油中的含硫量。
铅(Pb)为一种有毒的金属，它由燃油中的铅化物添加剂(如四乙铅)经高温燃烧后还原而成的铅微粒。铅与血液中的血红素结合后，使血红素产生异变。当血液中的铅含量达到一定的程度时，会积聚于肝、肾、大脑和脊髓中，严重地破坏人体的神经系统和造血功能。
碳微粒和其他杂质粉尘是柴油机的主要排放物，由于其粒径极小，约为0.01～0.2um，能长期悬浮于空气中，易于通过呼吸系统而沉积于肺泡内，极具致癌作用。
铅、碳微粒和其他杂质粉尘等因粒径极小，SO2又具有胶粘性，特别是铅微粒，因无法燃烧，一旦被吸附在催化剂的表面上，便令三元催化净化器丧失催化功能，此即为三元催化净化器的铅中毒。
2 汽车废气排放物的影响因素
汽车废气中CO、HC和NOx三种有害气体的影响因素比较多，主要为可燃混合气的空燃比，点火提前角、发动机的负荷和转速以及发动机的内部结构等。
2.1 可燃混合气空燃比的影响
空燃比(A/F)对CO、HC和NOx的影响见图1。在理论空燃比附近，CO曲线有一个拐点，当A/F减少时，可燃混合气过浓，燃油无法充分燃烧，CO生成物便急剧增加;当A/F增大时，氧含量充足，燃油可以充分燃烧，使CO生成量减少，而且比较稳定。
HC曲线在A/F为17～18附近有一个拐点，此时废气中的HC含量最低。除此之外，HC的生成量都有所增加。其原因是当A/F少于17时，混合气过浓，燃烧不彻底，当A/F大于18时，混合气过稀，燃烧速度缓慢同样会出现燃烧不彻底现象，HC都会增加。
NO曲线在A/F为15～16附近有一个波峰，此时生成的NO量最多，除此之外，过浓或过稀的空燃比都会降低燃烧速度和燃烧温度，使NO的生成量都有所下降。
2.2 点火提前角的影响
点火提前角对CO的生成量影响不大，但对HC和NOx的影响较大。
随着点火提前角的增大，HC和NOx生成物都会急剧增加，其原因与燃烧时的速度、压力、温度等有关，当点火提前角增大到一定值后，由于燃烧时间过短，HC和NOx生成量便有所下降。当然，正确的调整点火正时是非常必要的，过迟的点火提前角会使发动机动力下降，油耗增大，工作不稳。
2.3 发动机转速和负荷的影响
由于NOx是高温燃烧时的生成物，当发动机的转速和负荷提高时，使气缸的燃烧温度升高，NOx生成量随之增大，CO和HC的生成量稍有增加，但影响较小。
碳微粒的影响因素主要有空燃比、发动机的温度、转速和负荷以及燃烧室的形状，燃油的雾化情况等。空燃比过浓，温度过低，均不利于燃油的雾化和燃烧，使碳微粒生成量增加;发动机转速和负荷增大，使燃烧温度提高，有利于完全燃烧，使碳微粒的生成量减少。
SO2和Pb微粒的生成主要与燃油中的含硫量和铅化合物的加入量有关。因此，往往对燃油中的最大含硫量作了限制，推行使用无铅汽油。
3 汽车废气污染物的控制和治理
随着环保意识的加强，欧、美、日等一些发达国家对废气排放污染的限制越来越严格，各汽车生产厂都投入巨额资金开展废气污染物的控制研究，早于90年代初，汽油车已基本上普遍采用了电控燃油喷射发动机，使废气中的有害气体大为减少，动力性和燃料经济性均有所提高，再加上其他多种措施的综合应用，使汽油车的废气污染得到了有效的控制。柴油车用的电控燃油喷射发动机也正在研制，但进入实用阶段尚为时过早。目前，国外对于废气排放的控制和治理主要有如下几种措施。
(1)废气再循环。已查明NOx是燃油在高温燃烧中的生成物。废气再循环就是根据发动机的不同工况，将废气中的一部分(3%～15%)引入燃烧室，用以降低气缸的燃烧和温度速度，从而进一步减少NOx的排放量。
(2)二次空气供给。二次空气供给系统是在排气管的上段设置一个反应器，通过空气泵、控制阀、单向阀和喷射管等引入适量的新鲜空气，在高温下，令CO和HC在热反应器内继续燃烧(生成H2O和CO2)，从而进一步减少了CO和HC的排放量。有的发动机则向三元催化器提供二次新鲜空气，以使CO和HC在催化器内获得更充分的氧化反应(燃烧)。
(3)三元催化净化装置。三元催化净化器的催化剂为铂、铑、钯和钌等贵金属，其载体的形状分为粒状和片状。根据生产工艺的方便性，后者的应用较广泛。
铂和钯为氧化剂，使CO和HC发生氧化反应，生成CO2和H2O。铑为还原剂，使NOx脱氧，还原成N2并释放出O。后者正好为CO和HC的氧化提供了充分的条件。
三元催化净化器的工作特性是要求发动机处于理论空燃比状态下工作时，才表现出良好的净化效果。现代电控燃油喷射发动机的电控系统为了实现对理论空燃比的监测和控制而应用了能检测废气中氧残留量的氧传感器，电控系统接收到氧传感器反馈的信号后便及时调整喷油量，使发动机工作处于理论空燃比状态，从而实现了燃油喷射的“闭环”控制。三元催化净化器的最佳工作温度为400～800℃，如果同时不配合使用氧传感器时，则很快就会出现早期损坏，寿命大大缩短。
稀土金属也同样具有贵金属的一些特性，用它制成的催化净化器，虽然效果比贵金属差，但价格便宜得多。而我国的资源相当丰富，目前这方面的开发研制已取得了令人振奋的效果。
(4)无铅汽油。汽油中加入千分之0.1～0.4g四乙铅后便可大大提高汽油的抗爆性能，有利于减少机件的损坏，但铅对人体的毒害非常大，同时也会使三元净化器中毒而早期失效，所以世界各国已严格限制含铅汽油的生产和使用。
我国一直在长期使用含铅汽油，可喜的是，我国已决定2000年将全面禁止生产和销售含铅汽油，推动汽油标号升级。目前北京、上海、广州、深圳等20多个城市已禁止含铅汽油的销售和使用，为全国推广无铅汽油的使用迈出了第一步。
(5)低硫份柴油。硫主要存留于柴油中，燃烧后生成毒性极大的SO2。美、欧、日等国家对柴油中的含硫量要求非常严格，限值为0.05%～0.10%。而我国的炼油技术相对来说较为落后，限值为0.5%左右，与国外的差距甚大。因此，努力提高我国的炼油技术，降低柴油中的含硫量已成为炼油行业的重要任务。
(6)富氧燃料和燃油添加剂。甲醇、乙醇、异丁醇、叔丁醇、乙基叔丁基醚等许多含氧化合物具有很高的辛烷值，是良好的抗爆剂。汽油中加入少量的含氧化合物可以改善燃料的燃烧性能，可明显地减少CO和HC的生成。但过量的加入会影响发动机的动力性。美国AST-MD4814-94标准规定含氧化合物的体积加入量：甲醇类为2%;非甲醇类为2.75%。
在改善柴油品质方面，国外也早已开发生产了多种柴油添加剂，适量地加入一定比例的柴油添加剂，能使柴油得到活化，提高其雾化能力，有利于减少碳微粒的生成。柴油添加剂属高科技产品，具有良好的企业经济效益和社会效益，是精细化工行业的发展方向。
4 柴油机废气排放物与汽油机的差异
柴油机的燃烧过程与汽油机不同，压缩比高，而且是在富氧状态下燃烧，废气中的CO和HC含量较少，约为汽油机的1/10，NOx的含量与汽油机相当。但碳微粒的含量高，约为汽油机的30～80倍，特别是加速和全负荷状态时，由于供油量急增，而进气量变化不大，燃烧工况从富氧转向缺氧，加上燃烧时间缩短，因此处于不完全燃烧状态，使废气中产生大量的碳微粒。因此治理柴油机废气排放的碳微粒已成为当前的首要任务。
柴油不含铅，但含有硫。硫燃烧后生成的SO2为胶状硫化物，与碳微粒一道令净化器极易堵塞，因而无法在柴油车上应用净化器。
提高我国的炼油技术，降低柴油中的含硫量势在必行，而这方面也已得到了国家的高度重视。
5 柴油机的废气净化和微粒收集器
前述所提到的许多废气排放控制方法均与发动机的设计和性能、结构有关，根据国内的生产水平，非一朝一夕能短期解决。汽油机单纯的加装排气净化器，能起到一定的治理效果。但由于是“开环”控制，净化器早期损坏严重，极需努力改进，向电控燃油喷射和“闭环”控制方向发展。燃料的改进也有待于同步进行。
对于柴油机来说，由于碳微粒是汽油机的30～80倍，治理碳微粒已成为当前的重要任务。由于碳微粒极易造成净化器的堵塞，故目前柴油机还无法应用排气净化器。经国内外的长期研究，能立竿见影地解决碳微粒的办法是采用碳微粒收集器。
碳微粒收集器是一种特殊的微粒捕捉和滤除装置，它的形式有袋式、陶瓷泡沫式和陶瓷蜂窝式等结构，安装于消声器之后，废气经过微粒收集器后再排向大气，其微粒的滤除效果可达60%～90%，碳微粒又是一种高级化工原料(碳黑)，可收集作综合利用，从而又可进一步提高企业的经济效益。目前，国外正在研究一种微波加热装置，当碳微粒积聚到一定程度时，可自动燃烧掉，免去人工收集之麻烦。
碳微粒收集器的废气净化效果非常明显，能起到立竿见影作用，对当前柴油车的废气污染治理具有重要意义，结合我国当前的技术水平，很有必要进行研制开发和推广应用。
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